光电子学-光与物质相互作用基础第一讲
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第14章 光与物质相互作用
第14章 光与物质相互作用光通过物质时，由于和物质相互作用，传播情况会发生变化。
这种变化主要表现在两个方面：第一，随着光束深入物质，光强越来越弱，这是因为光的一部分能量被物质吸收，一部分光向各个方向散射所造成的；第二，光在物质中传播的速度小于真空中的光速，而且与频率有关，这就是光的色散现象。
光的散射、吸收和色散是光在介质中传播时的普遍现象，并且是相互联系的。
研究光和物质的相互作用，不仅可以对各种光学现象和光的性质有进一步的理解，而且可以通过对光现象的分析，了解物质的原子、分子结构，测定分子常数等。
§14－1 分子光学的基本概念一 电偶极子模型光是电磁波，物质由分子原子组成，光和物质的相互作用，就是电磁波与原子分子的作用。
或者说是原子分子中的带电粒子，在电磁波的作用下作受迫振动，形成振荡电偶极子。
设光波的频率为ω，作用在原子分子中的带电粒子上的有效电场强度为t E E ωc o s 0= 对于各向同性的介质，带电粒子所受的电场力为t F t qE qE F ωωcos cos 001===此外，每一个带电粒子还受其它电荷的作用，当带电粒子在平衡位置附近做微小振动时，这个力可以等效为准弹性力kr F -=2式中，r 为振移，k 是弹性系数。
另外，电偶极子在振荡时，会不断向外辐射电磁波，这种能量损失可以等效为辐射阻尼力的作用td r d F γ-=3 根据牛顿定律，带电粒子的运动方程为22321td r d m F F F =++ 由此得到微分方程t f r td r d t d r d ωωβc o s 202022=++ 式中，m r 2=β称为阻尼系数，m k =0ω是偶极子的固有频率， mqE m F f 000==。
在第4章中我们已经知道，带电粒子在频率为ω的简谐策动力的作用下作受迫振动，到达稳态时，粒子也以ω (不是其固有频率0ω)的角频率作简谐振动；其表达式为)c o s (ϕω+=t A r式中222200)2()(βωωω+-=f A ，2202tan ωωβωϕ-= 在电场作用下，带电粒子的感生偶极矩 )cos()2()(2222002ϕωβωωω++-==t m E q qr p比较，发现分子的感生电偶极矩与光波的策动电场间存在相位差。
课件2-光与物质相互作用简介I-基本概念
（3）复合粒子 总自旋由粒子种类和数目决定
16 N 8 O2 a.Bose子相加，得到的总自旋是整数－Bose子， 14 7
b.偶数个Fermi子组成的粒子－Bose子 c.奇数个Fermi子组成的粒子－Fermi子
广义不相容原理 设ν是分子或其他粒子中质子、中子及电子数目之和，ν为奇数的粒子 (或其他分子)～费米子，ν为偶数的粒子～玻色子。就任何全同粒子的(分 子或宏观)体系而言，ν为奇数值的体系只允许ΨA型波函数；ν为偶数的粒 子体系只允许ΨS型的波函数。
单个粒子的本征函数
独立粒子系统的本征函数是各个粒子本征函数的乘积，相应的能量本 征值是各个粒子能量本征值之和。
玻色—爱因斯坦分布律
ni nBE
e e
i / kT
gi
麦克斯韦—玻耳兹曼 分布律
费密—狄喇克分布律
1
ni nMB
gi i / kT e e
ni nFD
光与物质相互作用简介 I － 基本概念 一. 物质的基本单元 原子
质子、中子、电子
夸克
二.
原子核的基本性质
1、原子核的质子—中子模型
原子核由质子和中子组成。
质子（P）： e m p 1.007276u 核子
中子（n）：电中性 mn 1.008665u
1u 1.6605655 1027 kg
负折射率材料研究现状太赫兹研究现状太赫兹成像的优势能否对材料进行ct空气中气体放电后电子的通道大气化学超光速研究控制光波在介质中传输的速度光信号延迟与光存储超临界co2在材料科学中的应用人体的微弱发光另类化学发光计算材料学李巨陶瓷发动机高温燃烧彻底物质的基本单元原子原子质子中子电子质子中子电子夸克夸克光与物质相互作用简介i基本概念原子核的基本性质1原子核的质子中子模型原子核由质子和中子组成
光电子物理基础第一章-物质中光的吸收和发射
• 有限范围内成立；需修正
2)禁戒的直接跃迁 • 在某些材料中，k=0的直接跃迁是禁止 的,k≠0的直接跃迁是允许的， Wif正比于k2， 正比于(hν-Eg)，则αd＝α(hν-Eg)3/2，其中
α = 2 / 3 ⋅ B(2mr / m) f if' / hνf if
直接跃迁的吸收系数随频率的 变化
1.3.2 激子吸收
基本吸收中，认为被激发电子变成了导带中自 由粒子，价带中产生的空穴也是自由的。但是 受激电子与空穴会彼此吸引(库仑场)，有可能 形成束缚态，称为激子。电中性 能在晶体中自由运动的激子称自由激子，又称 瓦尼尔(Wannier)激子。不能自由运动的激子 称束缚激子，又称弗伦克尔(Frankel)激子。
1/ 2
1.3.3 杂质吸收
三个方面 1）从杂质中心的基态到激发 态的激发，可引起线状吸收 谱。 2）电子从施主能级到导带或 从价带到受主能级的吸收跃 迁 红外区
3)从价带到施主能级或从被 电子占据的受主能级到导 带的吸收跃迁。 几率小。 浅受主能级到导带的跃迁 吸收跃迁系数
α = AA N A (hν − E g + E A )1/ 2
中红外范围内，自由载流子吸收按λ2规 律变化。近红外区不再适用。 电子在导带中跃迁，不同能量状态间跃 迁，则必须改变波矢量，为了动量守恒， 电子动量的改变可由声子或电离杂质的 散射来获得补偿。 近红外区域，M.Becker等人指出①电子 受到声学声子散射， α ∝λ1.5②电子受到 光学声子散射， α ∝λ2.5 ③受杂质散射， α ∝λ3∼3.5
（1）允许的跃迁 （2）禁止的跃迁
3)布尔斯坦-莫斯移动 重掺杂半导体的本 征吸收限向高频方 向移动，布尔斯坦 －莫斯移动 4)带尾效应 • 直接跃迁吸收系数 的光谱曲线，吸收 系数随光子能量减 小呈指数衰减
基础光学第9章光波与介质的相互作用课件
【解】设介质的厚度为d，由光吸收的朗伯定律
I ( d ) = I 0 exp(- d )
可得
1
I (d )
1
d = - ln
=ln 0.5
I0
0.05
=13.86 m
9.4
光的散射
光的散射（scattering of light）是指定向传播的光束通过
光学性质不均匀的介质时，一部分光偏离原传播方向的现象。
折射率 是随波长 的
增加而减小的，这种色
散称为正常色散。
重火石玻璃
水晶
冕牌玻璃
1.5
氟化钙
1.4
0
2
4
6
λ/100 nm
8
10
正常色散的经验公式---柯西公式
n = A+
B
2
+
C
4
：波长，常量A、B、C是由材料性质所决定的常数
从电子论可以推出柯西公式
在远离共振频率的正常色散区
设阻尼系数
( / 0 ) 2 (0 / ) 2 1
一般按散射粒子的尺寸分成两类：
•粒子尺度相当于1／5～1／10入射光波长以下，称为瑞利
散射；
•粒子尺度与入射光束波长数量级相当的散射，称为大粒
子散射或米氏散射。
瑞利散射
观察混浊介质光散射圆锥体
容器
瑞利散射定律
I ( )
1
4
透
射
光
光
源
当自然光入射时，散射光强为
I ( ) = I 2 (1+ cos2 )
运动方程为：
d 2r
m 2 = - fr
dt
由此得出
I ( d ) = I 0 exp(- d )
可得
1
I (d )
1
d = - ln
=ln 0.5
I0
0.05
=13.86 m
9.4
光的散射
光的散射（scattering of light）是指定向传播的光束通过
光学性质不均匀的介质时，一部分光偏离原传播方向的现象。
折射率 是随波长 的
增加而减小的，这种色
散称为正常色散。
重火石玻璃
水晶
冕牌玻璃
1.5
氟化钙
1.4
0
2
4
6
λ/100 nm
8
10
正常色散的经验公式---柯西公式
n = A+
B
2
+
C
4
：波长，常量A、B、C是由材料性质所决定的常数
从电子论可以推出柯西公式
在远离共振频率的正常色散区
设阻尼系数
( / 0 ) 2 (0 / ) 2 1
一般按散射粒子的尺寸分成两类：
•粒子尺度相当于1／5～1／10入射光波长以下，称为瑞利
散射；
•粒子尺度与入射光束波长数量级相当的散射，称为大粒
子散射或米氏散射。
瑞利散射
观察混浊介质光散射圆锥体
容器
瑞利散射定律
I ( )
1
4
透
射
光
光
源
当自然光入射时，散射光强为
I ( ) = I 2 (1+ cos2 )
运动方程为：
d 2r
m 2 = - fr
dt
由此得出
《光电子学教程》课后作业答案-部分
5.He-Ne激光器发出激光的中心频率为0=4.74*10 Hz，增益曲线上超过阀值的宽度=1.5*10Hz，令腔长L=1m，问可能有多少个纵模输出？为获得单模输出，问腔长最长为多少？
解:
则纵模输出的个数为:
为使获得单模输出,需
7.He-Ne激光器的腔长为1m，计算基横模的远场发散角和10km处的光斑面积。
７。在He-Ne激光器的增益曲线上1/2G(v0)处，有两个烧孔，增益曲线半宽度为1500MHz，计算与烧孔相对应的粒子速度有多大？
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第三章激光振荡与工作特性
1.要使氦-氖激光器的相干长度达到1Km,它的单色性Δλ/λ0应为多少？ 解：根据P48式(3-1-2)：
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
４）α＝０.５dＢ时： ＝１.１２２， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝１０.９﹪；
５）α＝０.２dＢ时： ＝１.０４７， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝４.５﹪；
4、阶跃光纤的纤芯折射率 ，包层折射率为 ,如果一条光线沿轴向传输，另一条光线沿最大入射角入射。计算传输１ｋＭ后两光线的时延差。 解：
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
光电子学课程作业
*
章节目录
第五章 光辐射的探测
第四章 光辐射在介质中波导中的传播
第三章 激光振荡与工作特性
第二章 介质中的光增益
第一器件
第七章 光电转换器件
第八章 第八章 光波调制
第一章 光与物质相互作用基础
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系：相干面积，相干体积的物理意义。 答：根据 故：光源频率宽度 越窄，相干时间越长，相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义：从单位面积光源辐射出的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。 根据P49(3-1-13)，相干体积的物理意义：在单位面积光源辐射出的单位频率宽度的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一体积范围为相对应的相干面积与光速的乘积。
解:
则纵模输出的个数为:
为使获得单模输出,需
7.He-Ne激光器的腔长为1m，计算基横模的远场发散角和10km处的光斑面积。
７。在He-Ne激光器的增益曲线上1/2G(v0)处，有两个烧孔，增益曲线半宽度为1500MHz，计算与烧孔相对应的粒子速度有多大？
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第三章激光振荡与工作特性
1.要使氦-氖激光器的相干长度达到1Km,它的单色性Δλ/λ0应为多少？ 解：根据P48式(3-1-2)：
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
４）α＝０.５dＢ时： ＝１.１２２， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝１０.９﹪；
５）α＝０.２dＢ时： ＝１.０４７， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝４.５﹪；
4、阶跃光纤的纤芯折射率 ，包层折射率为 ,如果一条光线沿轴向传输，另一条光线沿最大入射角入射。计算传输１ｋＭ后两光线的时延差。 解：
好好学习，天天上上
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光电子学课程作业
*
章节目录
第五章 光辐射的探测
第四章 光辐射在介质中波导中的传播
第三章 激光振荡与工作特性
第二章 介质中的光增益
第一器件
第七章 光电转换器件
第八章 第八章 光波调制
第一章 光与物质相互作用基础
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系：相干面积，相干体积的物理意义。 答：根据 故：光源频率宽度 越窄，相干时间越长，相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义：从单位面积光源辐射出的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。 根据P49(3-1-13)，相干体积的物理意义：在单位面积光源辐射出的单位频率宽度的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一体积范围为相对应的相干面积与光速的乘积。
优选光学第七章光与物质相互作用Ppt
0
斯托克斯线 反斯托克斯线
0 -j
0 + j
对拉曼散射的光进行光谱分析，可以得到介质重要的结构参数，形成 拉曼光谱学
第17页，共21页。
第四节 激 光
第18页，共21页。
1. 激光的特点：
第四节 激 光
亮度高。可以达到太阳表面亮度的几十亿 ~ 几百亿倍
单色性好。一般激光发射的单色光的波长范围宽度约为一千万分之一埃 （10-7Å）数量级。是世界上最纯的颜色。
N2 慢
E1
N1
E1
N1
N3 > N2
N2 > N1
第21页，共21页。
e 0
Ne2
me 0
1
2 02
i
电极化率与相对介电常数之间的关系为：
1 e
第3页，共21页。
第一节 光辐射理论
1. 介质中的光波
从上面分析可以看出，电极化率是个复数，为了与实数介电常数相区别，定 义复介电常数
1 e
1
Ne2
m 0
1
2 02
i
参照介电常数与折射率的关系，定义复折射率：
n
Ne2 1
2m 0
1
2 02 i
令
n in
Ne 2
n 1 2m 0
2 0 2
(
2
2 0
)2
2
2
n
Ne 2
2m 0
( 2 0 2 )2 2 2
第4页，共21页。
1. 介质中的光波
第一节 光辐射理论
这样介质中的最后电场的传播方程就可以写成：
E
E ei (tx / v) 0
Ei h ~~~~ Ek
光电子学教程
第一章光与物质相互作用基础11.光的波动理论与光子学说2.物质的微观结构与能量状态3.热辐射的一般概念4.黑体辐射5自发辐射受激吸收和受激辐射5.自发辐射、受激吸收和受激辐射66.谱线形状与宽度7.均匀加宽与非均匀加宽第一节光的波动理论与光子学说1.光的属性Fight of light1Fi h f li h2.麦克斯韦方程Wave nature of light2Wave nature of light3.爱因斯坦光量子假说Particle nature of lightg 4.波粒二象性Particle-Wave DualityFight About Light –I ：Pre-Newton Era（1600-1700）•Snell’s law-Law of refraction发现光的折射定律笛卡尔假设光是粒子，在光密介质中速度更快提出动量守恒几何学之父反对笛卡尔的看法Fight About Light –II：Post-Newton Era（1700-1800）•Snell’s law-Law of refractionS ll’l L f f i认为光是波动导出Huygens原理倾向于光是粒子运动学三大定律Post-Young Era（1800-1900）双狭缝实验，光的干涉证明光是波动•光是电磁波波动说解释绕射现象解释光通过大于波长的障碍菲涅耳物产生阴影证明光会有横向振动麦克斯韦推测光是电磁波赫兹实验证明电磁波的存在，光是电磁波的一种Post-Einstein Era（1900-）1905年，延伸了Plank的观点，认为：190年延伸了的观点认为光的吸收与发射时，能量是量子化的；光的吸收与发射时能量是量子化的；Photon，光子的概念利用量子化概念彻底解释光电效应•E----电场强度•B----磁感应强度D H•D----电位移矢量•H----磁场强度0)D=ε0E+P •P----H=(B/µ0 ) –M •M----电极化强度磁化强度边界条件1212()n n ss D D n D D σσ−=⋅−==r r r r r r 或(1-1-17)(1-1-18)1212()00n nB B n B B E E n E E =⋅−=×−=r r r 或(1118)或(1-1-19)12121212()()t tt t s s H H J n H H J −=×−=r r r r 或(1-1-20)s n σ：电荷面密度：表示法线方向s J t r ：面电流密度：表示切线方向电磁波的有关性质(1) 光是种横波(1)光是一种横波横波：光波的振动方向与波的传播方向垂直（3）时谐变电磁场0cos R m t z ΕΕωβϕ−+−−−+均匀平面波：(z,t)=()（1-1-25）(t)00()()e e =R []R []j t z j z j t m m z ee e ωβϕβϕωΕΕΕ−−= 复数表示法：(z,t)0()j m m j t e βϕωΕΕ= 定义复振幅：(z t)e R []m e ΕΕ=(z,t)采用复振幅表示方法，波动方程可简化为：2k ΕΕ→→∇2r）+r）=0 亥（）（）亥姆霍兹方程2.光子的状态描述）相体积描述光子状态能被分辨的最小尺度（1）相体积：描述光子状态能被分辨的最小尺度。
光与物质相互作用ppt
06
光与物质相互作用的未来发展
探索新材料
研究新的光与物质相互作用需要不断探索新的材料，发现具有新奇物理性质的材料，如拓扑材料、自旋电子材料等。
发现新物理效应
除了探索新的材料，还需要关注新的物理效应。例如，研究光与物质的相互作用可能会产生一些新的量子效应，如量子隧穿、量子相干性等。
新材料和新物理效应的探索
03
荧光现象的研究和应用涉及化学、生物学、医学和环境科学等领域。例如，荧光染料被用于生物显微镜和免疫分析中，以增强检测的灵敏度和特异性。
03
光与物质相互作用的实验技术
激光光谱学
激光光谱学是一种研究物质与光相互作用的技术，通过测量光谱线的频率、宽度和强度等参数，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
当光在物质中传播时，会与物质的分子或原子相互作用，使它们获得能量并改变其振动或旋转状态，从而产生散射。
拉曼散射可以提供关于物质结构、分子振动和旋转状态等重要信息。
01
当光照射某些物质时，它们会吸收光能并释放出较小的能量，产生荧光现象。
荧光现象
02
荧光现象是由于物质的分子或原子吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态，当它们返回基态时释放出光子。
总结词
同步辐射光源具有高亮度、宽波段、高相干性和高偏振度等优点，可以用于研究物质的原子结构、分子结构、化学反应和物理过程等。通过对同步辐射光源的测量和分析，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
详细描述
同步辐射光源
04
光与物质相互作用的应用
激光冷却
激光可以用来冷却原子，使得原子速度降低到非常低的温度，甚至达到纳开尔文级别。这种技术可用于研究量子力学和统计物理中的特异现象。
突破经典物理限制
光与物质相互作用ppt
光的波动振幅
光的波动振幅表示光波的强度，其与光的粒子数成正比。
光与物质的边界条件
光的反射和折射
当光遇到物质表面时，会发生反射和折射现象，其遵循反射 定律和折射定律。
光的吸收和透射
当光通过物质时，会被吸收或透射，吸收率与物质的性质和 厚度有关。
03
光与物质的相互作用类型
光电效应
1 2
光电效应定义
光吸收系数计算
根据朗伯-比尔定律，计算物质对不 同波长光的吸收系数，推断物质的 结构和浓度。
荧光光谱分析
通过对荧光光谱进行分析，得出物 质的结构、能级分布以及电子跃迁 过程等信息。
散射光谱分析
通过对散射光谱进行分析，得出物 质的结构、大小、形状以及溶液中 的相互作用等信息。
05
应用领域与案例分析
材料科学
理过程仍然是一个挑战。
高能量密度光源的制备
02
高能量密度光源是研究强光与物质相互作用的关键，目前仍然
是一个挑战。
新原理新技术的探索
03
为了满足研究的需要，需要探索新的物理原理和新的技术手段
，这既是一个挑战也是一个机遇。
发展前景与方向
理论计算方法的改进和完善
随着计算机技术的进步，可以进一步完善现有的理论计算方法， 提高其精度和适用范围。
磷光是稳定现象，可以 持续数小时甚至数日， 磷光的产生难易程度与 物质的分子结构和组成 有关。
荧光和磷光应 用
荧光和磷光在光学检测 、化学分析、生物学研 究等领域有广泛的应用 价值。
04
实验方法与技术
实验方法
吸收光谱法
通过测量物质对不同波长光的吸收 程度，推断物质的结构和浓度。
荧光光谱法
通过测量物质在特定波长光照射下 产生的荧光光谱，推断物质的结构 和性质。
光与物质相互作用基础讲解
• σ为介质电导率
• 式中P为介质的电极化强度矢量，Mr为介0 质的磁极化强度矢量。P和E的关系为
• 式中 为电极化率
P 0E
2.1.2 麦克斯韦方程与波动方程 当电荷、电流分布给定时，从麦克斯韦方程组，根据初始条件以及边界条件就可以完全地决定电磁
场的分布和变化。下面推导波动方程 将（2-1-1a）两边取旋度，有 将（2-1-1b）和（2-1-2b）代入上式，可得
光与物质相互作用基础讲解
光电子学是研究光与物质相互作用的学科，而与物质相互作用主要是指与物质内部的电子
光的本质 光的描述
物质的结构 电子的状态
2.1 光学基础知识
2.1.1 光的波动理论与光子学说
• 17-18世纪：牛顿的微粒说 • 19世纪：惠更斯的波动说（机械波色彩）、麦克斯韦的电磁波、以太 • 20世纪：光电效应、爱因斯坦的光子假说 • “波粒二象性”
上式也可以写成 式中，v为电磁波在介质中2 的传播速度
E E 0 用类似的2方法，可以求出求解磁场的波动方程 或
t2
2E
1 v2
2E t2
0
2H
2H t2
0
作业： 推导磁场的波动方程
波动方程要与边界条件相结合，才能最终确定电磁场的分布。在不同介质分界面上的边界条件有
式 以中 及Ht在、界分面别s上为也电是J 荷s连面续密的度和面电流密度，n表示法线方向，t表示切线方向。当 和 为0时，Dn
D第一式为电场的高斯定理，表示电场可以是有源场，此时电力线发自正电荷，终止于负电荷。
磁感强度的散度处处为零。
第二式为磁通连续定律，即穿过一个闭合面的磁通量等于零，表示穿入和穿出任一闭合面的磁力
B0 线的数目相等，磁场是个无源场，磁力线永远是闭合的。
光与物质相互作用基础
J L S, L S 1, L S 2,, L S
2019/11/21
36
a.单电子L-S耦合
j=l s=l 1 2
b、多电子L-S耦合
S= si , L li
i
i
J L S, L S 1, L S 2,, L S
n
4 4 n
状态数为： ( )d dV 8 n3 2 d
c3
c
4 n
dtdsd
8 n3
c3
2
d
2
2
dtdsd简并现象与光子简并度 简并：多个光子处于同一量子态的现象。
光子简并度：处在同一量子态的平均光子数目
玻色—爱因斯坦分布：
0
此即为电场的波动方程
磁场的波动方程
2H
2H t 2
0
(1-1-14) (1-1-16)
2019/11/21
8
介质中光速
v= 1
波动方程可写为：
2
E
1 v2
2E t 2
0
2 H
1 v2
2H t 2
0
(1 1 15)
2019/11/21
确定电子唯一状态的量子数：
n 1, 2,3...
a
l
j
0,1, 2...n 1 lsl1
2
mj 0, 1, 2,... j
n 1, 2,3...
b
l ml
0,1, 0,
2...n 1 1, 2,...
l
ms
N l
2019/11/21
36
a.单电子L-S耦合
j=l s=l 1 2
b、多电子L-S耦合
S= si , L li
i
i
J L S, L S 1, L S 2,, L S
n
4 4 n
状态数为： ( )d dV 8 n3 2 d
c3
c
4 n
dtdsd
8 n3
c3
2
d
2
2
dtdsd简并现象与光子简并度 简并：多个光子处于同一量子态的现象。
光子简并度：处在同一量子态的平均光子数目
玻色—爱因斯坦分布：
0
此即为电场的波动方程
磁场的波动方程
2H
2H t 2
0
(1-1-14) (1-1-16)
2019/11/21
8
介质中光速
v= 1
波动方程可写为：
2
E
1 v2
2E t 2
0
2 H
1 v2
2H t 2
0
(1 1 15)
2019/11/21
确定电子唯一状态的量子数：
n 1, 2,3...
a
l
j
0,1, 2...n 1 lsl1
2
mj 0, 1, 2,... j
n 1, 2,3...
b
l ml
0,1, 0,
2...n 1 1, 2,...
l
ms
N l
第14章光与物质相互作用
15.1 分子光学的基本概念 15.2 光的散射 15.3 光的吸收 15.4 光的色散
15.1 分子光学的基本概念
一、 电偶极子模型
F 1qE 0cost —— 电场力
带电粒 子受力
F2 F3
kr
dr
dt
—— 其他电荷给的弹性力 —— 电磁辐射阻尼力
d2r
F 2
F2F3
mdt2
1 0 紫伴线 1 0 红伴线
0——分子的固有频率。
分子的固有频率不止一个， 所以拉曼光谱中还有
2 、 3 ； 2 、 3
15.3 光的吸收
I0 I I -dI
x 0 x x+dx
a s
真吸收
散射
dIIdx
dIIdx
I
dI
1
I s 4
瑞利散 射区
（2）大颗粒媒质散射对波 长无选择。
a
为什么我们看到 的天是蓝色的？
傍晚 中午
清晨
散射！
宇航员在太空看 到的天空和太阳。
在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所 以被散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。
（3）拉曼散射 光源 1 1 2 3
II ss
14
c4 4
返回5
x
dx
I0 I
0
IlnII0I0ex x 朗伯特定律 II0easx
15.4 光的色散
n
棱镜光谱
1、任何光学材料都有色散。
2、正常色散： n
3、反常色散：处于吸收带 附近。
0
作者 余 虹
瑞利散射（非相干散射）
对稀薄气体
15.1 分子光学的基本概念
一、 电偶极子模型
F 1qE 0cost —— 电场力
带电粒 子受力
F2 F3
kr
dr
dt
—— 其他电荷给的弹性力 —— 电磁辐射阻尼力
d2r
F 2
F2F3
mdt2
1 0 紫伴线 1 0 红伴线
0——分子的固有频率。
分子的固有频率不止一个， 所以拉曼光谱中还有
2 、 3 ； 2 、 3
15.3 光的吸收
I0 I I -dI
x 0 x x+dx
a s
真吸收
散射
dIIdx
dIIdx
I
dI
1
I s 4
瑞利散 射区
（2）大颗粒媒质散射对波 长无选择。
a
为什么我们看到 的天是蓝色的？
傍晚 中午
清晨
散射！
宇航员在太空看 到的天空和太阳。
在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所 以被散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。
（3）拉曼散射 光源 1 1 2 3
II ss
14
c4 4
返回5
x
dx
I0 I
0
IlnII0I0ex x 朗伯特定律 II0easx
15.4 光的色散
n
棱镜光谱
1、任何光学材料都有色散。
2、正常色散： n
3、反常色散：处于吸收带 附近。
0
作者 余 虹
瑞利散射（非相干散射）
对稀薄气体
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1、麦克斯韦方程与波动方程
H J E B 0 D B t
麦克斯韦方程有二个电 场量， 二个磁场量。 类似，得H 波动方程：
2 H H 0(1 1 16) 2 t
2
2 E E 2 0 t
2
(1 1 14)
1、麦克斯韦方程与波动方程
麦克斯韦方程：
D H J (1 1 1) t E B (1 1 2) t B 0 (1 1 3) (1 1 4) D
波动方程：
2 E 2 E 2 0(1 1 14) t
--介电常=r0 --磁导率, 非铁磁物质=0 --电导率
J --I 密度
光电子学
§1-1
optoelectronics
精品课程
光的波动理论与光子学说
一、光的波动学说
1、麦克斯韦方程与波动方程
麦克斯韦方程组
E B （ 1 1 2） t
导出E 或H 变化规律，对麦氏方程推演。 求E 微分方程， (1-1-2)E 旋度两边取旋度：
B E d l d s Ⅱ t Ⅲ B d s 0 D H d l I 0 t d s Ⅳ
Ⅰ
麦克斯韦方程： 旋度
电场强度E 磁感应强度B
--E 波动方程
1 2 E E 2 2 0 (1 1 15) t
2
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一、光的波动学说
1、麦克斯韦方程与波动方程
波动方程与边界条件结合，定出电磁场分布。不同介质分界面边界条件:
D1n D2 n s
8
当时实验测得真空 光速也为 3 10 8 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中速度
(非铁磁质 =1)
v
c
v
c
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一、光的波动学说
2、电磁波的有关性质
当时测得无极分子物质: 按上式计算折射率与测量折射率能 很好符合. 当时测得有极分子物质: 上式中 用光波频率时的值, 上式就 成立了. 平时 在低频电场下测量. 所以麦克斯韦判定, 光波是电磁波.
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光的波动理论与光子学说 所有大分子的 转动和振动频率
前 言
太赫兹科学（THz）
THz Gap
频率: 0.1THz–10THz(3mm–0.03mm)
宏观电子学向微观 光子学过渡的频段
在电子、信息、生命、 国防、航天 等方面蕴含着巨大应用前景
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由 假设:
1
3 4 2
导出
D E (1 1 5)
0=
2
D 0
0=
E 0
电磁波传 播(不在源 区)， J=0， 2 =0
均匀介质产 生极化，束 缚体电荷密 度
P P 0
J 2 E 2 P ( E ) E 0 2 2 (1 1 12) t t t
1、麦克斯韦方程与波动方程 高斯定理，斯托克斯定律
AdV A dS
V S
高斯定理：
散度
l
斯托克斯定律：
S
A dl A dS
旋度
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一、光的波动学说
n ( H 1 H 2 ) J s (1 1 20)
界面两侧电场切向分量连续
界面两侧磁场切向分量发生跃变
s、Js电荷面密度和面I密度，
t 切线方向,
n法线方向，
s、Js为0
Dn、Ht在界面连续
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一、光的波动学说
2 H H 0(1 1 16) 2 t
2
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一、光的波动学说
2、电磁波的有关性质
问题：为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中速度
c
1
0 0
3.1074 10 m s
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《光电子学》
Optical electronics
光与物质相互作用基础
第一讲 主讲： 周自刚
光电子学
§1-1 光的波动理论与光子学说 §1-2 物质的微观结构与能量状态 §1-3 热辐射的一般概念 §1-4 黑体辐射
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P 0 E (1 1 11)
2 2 J E P ( E ) 2 E 0 2 2 (1 1 12) t t t
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一、光的波动学说
1、麦克斯韦方程与波动方程
2
H J
D (1 1 1) t
D E (1 1 5)
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一、光的波动学说
1、麦克斯韦方程与波动方程
麦克斯韦方程组
B H (1 1 6)
如各向异性，D(1-1-5)带入(1-1-9)，D：
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一、光的波动学说
1、麦克斯韦方程与波动方程
D E B H J E
确定E 和H，了解D 与E，B 与H 关系。 静止线性，各向同性介质本构关系：
麦克斯韦方程：
D (1 1 1) H J t E B (1 1 2) t B 0 (1 1 3) (1 1 4) D
D H J t E B t B 0 D
积分形式
J --I 密度
关系：
电位移矢量D 磁场强度H
散度
--电荷密度
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一、光的波动学说
2
2 E 可写为: 2 E 2 0(1 1 14) t
由
P 0 E (1 1 11)
解E 波动方程:
2 E 2 P 2 2 2 2 E 0 2 2 E 2 ( 0 E P) E 2 ( 0 E 0 E ) t t t t 2 2 2 2 E 0 2 E (1 ) 2 E 0 r 2 E 2 E 2 E 0 t t t
c c v 根据光学折射率定义, 则 n v n
如果光波是电磁波, 比较上面两式:
v
c
c 和v n
光的波动理论与光子学说
麦克斯韦创立电磁波理论，了解光 是 很短电磁波。理论适合光波。
目的: 克斯韦方程导出波动方程! D d s q
0
麦克斯韦总结变化E 产生H，变化H 产生E 规律，方程描述电磁场变化 规律，电磁波存在
1 电场量 2 磁场量
詹姆斯· 克拉克· 麦克斯韦
D 0 E P(1 1 10)
D E 0 E 0 E 0 E (1 ) 0 r E
P 电极化强度， P 与E 关系：
H J
D (1 1 1) t
D E (1 1 5)
电极化率。 (1-1-10)代入(1-1-9)：
2
或
2 1 E 2 E 2 2 0(1 1 15) t
--E 波动方程
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光的波动理论与光子学说
一、光的波动学说
1、麦克斯韦方程与波动方程
(1-1-14):
0 (1 )
2
(1-1-15): v 电磁波在介质中传播速度； v
§1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射 §1-6 谱线形状和宽度 §1-7 均匀加宽和非均匀加宽 §1-8 辐射的经典理论
目 录
光电子学
optoelectronics
精品课程
第一讲要点
1
2
麦克斯韦方程； 麦氏方程导出波动方程；
解波动方程；
给出电磁波性质
物质微观结构与 能量关系
光电子学
§1-1
optoelectronics
2 2 E P 2 E 0 2 2 (1 1 13) t t
目的: 由麦克斯韦方程导出波动方程!
解E 波动方程(E 满足微分方程).
光电子学
§1-1
optoelectronics
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光的波动理论与光子学说
一、光的波动学说
1、麦克斯韦方程与波动方程